世界上最小的“东西”

( 物理学家理查德·费曼 )

在曼彻斯特坚尼街（Canal Street）边花园的椅子上有一个中年男人的铜像，这人目光忧郁，手里拿着一个咬过一口的苹果。这并不是苹果公司的广告，这个铜像是为一个叫阿兰·图灵的科学家建立的，他曾经是英国最有才华的同性恋者。阿兰·图灵作为数学天才，在第二次世界大战中为盟军破译德军密码，使“‘二战’提早结束了两年”。他首先提出了现代计算机的工作模型，并且被公认为是“人工智能之父”，计算机界的最高奖以他的名字命名为“图灵奖”。而当在曼彻斯特大学工作时，图灵的同性恋身份被揭穿后，他因为不愿意接受当时充满偏见和歧视性的“治疗”，在自己的家里吃下一个注射了氰化物的苹果，匆匆结束了自己42岁的生命。而如今，在图灵的坐像不到200米处的坚尼街，正是英国最著名的同性恋聚集区，彩虹旗招展。

曼彻斯特大学计算机系二层的研究室被分成一个个的格子间，每张桌子上都放着一个电脑还有一堆书和论文，研究生和他们的导师们大多都坐在电脑前读写，看上去与其他大学或是公司的情景并没有什么两样。从二层的研究室下楼，楼下走廊里摆着一些怪模怪样的东西，却又像宝贝似的被罩起来，看起来像是一件件文物。旁边的说明文字读起来也有趣：“我们不知道这些零件是做什么用处的，如果你知道，请告诉我们。”只有知道内情的人才能读懂这句话中透出的骄傲，世界上第一台现代计算机“Baby”就诞生于此，诞生的时间听上去并不算是太久远——1948年，仅仅是60多年以前而已〔注1〕。这里展示的，都是曼彻斯特大学创造的早期计算机的零件〔注2〕，而这些零件曾经的功能，确实都已经没有人知道了。

仅60年就把一件东西变成古董，这种事情也只有在计算机行业才会发生。

早期的计算机使用真空电子管作为原件，这种由抽成真空的玻璃管制成的二极或者三极电子元件和人手指差不多粗细，沉重而且极容易损坏，以至于早期的计算机动辄要几十吨重，打通几个屋子才能放得下。因此，真空电子管除了象征着人类进入电子时代之后没多久，就早早地退出了历史舞台，如今这种原件只存在于一些特殊设备中了。1947年，美国贝尔实验室制造出了第一个晶体管，1954年，同样在贝尔实验室研制了第一台由晶体管线路构成的计算机，取名“催迪克”（Tradic），装有800个晶体管，这种计算机结构和电子元件一直被沿用至今。现在最常用的晶体管大多使用大自然中最容易得到的“硅”作为原料，由三极组成，称为金属－绝缘体－半导体场效应管。有一个几乎所有人都听说过的摩尔定律，由英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔在1965年提出来预测集成电路的发展：集成电路上可容纳的电子元件的数目，约每隔18个月便会增加一倍，速度也将提升一倍〔注3〕。 要知道，摩尔在提出这条经验定律的时候，一个电路上仅仅能集成几十个电子元件。而现在，在英特尔公司出品的芯片上，集成着数以十亿计的晶体管。在过去的40多年里，摩尔定律令人吃惊得一直生效，这与其说是信息技术的胜利，不如说是半导体物理学的伟大成就。在这几十年里，这条定律维系了整个微电子产业的信心，然而，就像是比基尼泳衣一样，“每个人都知道它维系的是什么，但每个人都希望它维系不住”。与比基尼不同的是，每个人都知道摩尔定律终将有失效的一天，这只是时间问题。

在晶体管产业发展的几十年中，尽管基础结构变化不大，但是从尺寸到材料却一直惊人地变化着。与此同时，也不停有人高呼，摩尔定律即将失效！有意思的是，很多科学家不约而同地预测，晶体管不可能在100纳米以下的尺寸正常工作，这里面蕴含的科学依据并不是很显而易见，可能只是因为人们特别的偏爱整数而已。当然，100纳米确实也是一个极小的尺寸，材料的量子效应将更加明显，器件尺寸的缩小同时也就意味着发热量的增大和制造成本的上升。只是没过多久，英特尔公司就推出了32纳米级晶体管的集成电路芯片，行胜于言是永恒的真理。只不过现在人们明白，摩尔定律真的快终结了，正如那句德国谚语所说：树可以长高，但终不能抵天。

( 科学家阿兰·图灵 )

另一种思潮在涌动，为什么要拘泥于晶体管的结构呢？能不能换一种思路？我们能不能做出世界上最小的“东西”？这股思潮以伟大的物理学家理查德·费曼在1959年的一个演讲为起点，他在一个名为“底下还有足够的地方”的演讲中说道：“如果我们可以按照我们的方式来排列原子，材料将会出现什么样的性能呢？理论上这是一个很有意思的问题。我也不知道会发生什么，但是我不怀疑，当我们可以控制原子排列的时候，事物将会展现出极为不同的性质。”这位伟大的物理学家为分子微电子学指点了方向，当材料的体积小到只有几个纳米时，量子效应将会变得明显，一个单个的分子，甚至是单个原子，代表了电子器件的极限，从这个角度讲，我们有可能制造出世界上最小的东西。

英国诗人威廉·布莱克诗云：“一沙一世界，一花一天堂。双手握无限，刹那是永恒。”一个沙粒足有数以百亿计的分子，说是一个世界绝不为过，而人们想做的，是把每一个分子为一个单个的电子器件。纳米晶体就是现在人们研究的热点，因为在光电器件和电子器件上的应用，科学家们已经可以熟练地制造出只有几纳米大小的各种形状的各种材料组成的纳米晶体。纳米晶体因为体积特别小的缘故，通常被认为是大分子，也因此被称作“量子点”。尽管材料不同，但是因为体积太小的缘故，材料本身的特性反而不是特别明显，量子效应则凸显出来。对于纳米晶体而言，欧姆定律不再适用，电压与电流不再呈正比，隧道穿越电流成为导电的主要方式，只有当电极的电势与纳米晶体的导带处于同一水平时才会有穿越电流产生，当电极的电势与纳米晶体的禁带同水平时电流则被屏蔽反而下降，这说明分子微电子器件可以由电压更灵活地控制电流，电子器件不光可以变得更小，而且可以采用一种更加简洁的结构来实现。

制造分子微电子器件，最大的困难并不在于制造量子点——如今人们已经可以精确控制量子点的大小，困难在于制造一个可以恰好容纳量子点大小的同样是纳米级的电极（Nanoelectrodes）。一对稳定的、相距只有几个纳米的电极一直是物理学家和工程师们的噩梦，因为这远远超出了现代物理学的技术能力。同时，建好了纳米电极，如何在电极中间固定住一个量子点同样是一个大难题，这也是现代物理学和工程的一大热点问题。现在通常的做法是，把事先做好的纳米电极浸在量子点溶液里，然后用加在纳米电极两端的高频电压来吸引被极化的量子点。在电极两端，遍布着一种叫做“链接分子”的长链型的分子，这种分子一段链接纳米电极，另一端固定量子点，以此来获得一个稳定的电子器件。因为这种分子电子器件的尺寸太小，任何细微干扰都会给它带来极大的影响。因此，通常都是在真空中、极低的温度下对它进行测量。分子微电子器件尽管前景光明并且让人充满遐想，面对的困难也是前所未有。它对温度、光线，甚至是声音都极其敏感，丝毫的干扰都会使它工作失常；即使在没有收到干扰的时候，被固定住的量子点也并不是乖乖地待在电极中间，而是在电极中不停地颤动，这对测量造成了极大的影响。而且一个器件中只能有一个量子点，如果有多个的话也将展现不一样的结果……

2009年，来自格罗宁根的荷兰科学家特劳夫博斯特 （Trouwborst）在物理学评论杂志《Physics Review B》上发表了一项令人吃惊的实验结果，他以金为电极，测量了氢分子的导电性能，并且成功测量到了电子穿越氢分子产生的电流。当然这项实验与人们预期的应用于实际的分子电子器件还相距甚远，即使现在分子微电子学研究如火如荼，在短时间内仍然无法看到分子微电子器件的商业应用，但是这些实验已经告诉我们，即使摩尔定律不再生效，人类也已经做好了准备，探索制造出世界上最小的“东西”〔注4〕。■

〔注1〕世界上第一台计算机一般被认为是于1946年诞生于美国宾夕法尼亚大学的ENIAC计算机，但是通常认为第一台现代计算机于1948年诞生于曼彻斯特大学。〔注2〕第一台计算机“Baby”现在已经不存在了，在曼彻斯特大学展览的是其后的一些计算机零件。〔注3〕摩尔一开始预计的时间为一年，之后又改称两年，18个月这个时间似乎是后来更改的，并不是出自摩尔，但是此定律仍然被称为摩尔定律。〔注4〕目前对于新纳米电子器件的研究并非只局限于分子器件，利用石墨烯与碳纳米管等材料器件的研究同样都是热点。（文 / 苗千） 电脑摩尔定律纳米最小量子点纳米效应世界东西